How to avoid gas supersaturation in the river downstream a hydropower plant

Abstract

Gassovermetning i vannkraftverk er en lite kjent, men veldig alvorlig tilstand som har påvirket biologisk mangfold negativt i flere vassdrag i Norge. Det er kjent at 10 kraftverk har hatt redusert biologisk mangfold på grunn av gassovermetning og det er mistanke om at problemet kan være mer omfattende også andre steder. Gassovermetning gir gassblæresyke hos fisk, en dødelig tilstand dersom den varer over lengere tid. En foreslått løsning for å redusere utslipp av overmettet vann er å bruke ultralydbølger til å fjerne oppløst luft fra vannet før det slippes tilbake i vassdraget.

Tidligere arbeid med denne problemstillingen har vist at effektiviteten til avgassingsprosessen er avhengig av ultralydens frekvens, amplitude og vannets oppholdstid i ultralydfeltet. Ultralydfrekvenser i nærheten av 24 kHz var mest effektive og økt akustisk amplitude gir økt avgassingseffektivitet. Denne studien tar sikte på å utvide forståelsen av avgassingsprosessen ved bruk av ultralyd. Dette gjøres ved å designe et forsøksoppsett der avgassing av rennende, overmettet vann kan studeres. Oppsettet bygges i Vannkraftlaboratoriet ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU).

Oppsettets design er basert på designkriterier for sugerøret i Francis-turbiner som en begynnelse på utviklingen av en prototypeløsning. Det foreslåtte designets ytelse kontrolleres ved å gjennomføre en CFD-analyse av strømningen i oppsettet og følges opp av en diskusjon som avdekker styrker og svakheter ved det presenterte designet.

Det konkluderes med at oppsettet er tilstrekkelig for å gjennomføre veldefinerte eksperimenter med avgassing av rennende, overmettet vann. Strømningen gjennom oppsettet er som forventet gjennom designprosessen, men noen utfordringer pekes ut. To skarpe kanter ved ekspanderende strømningsareal fører til separasjonspunker i strømningen. Ett av to innløpsdesign fører til en usymmetrisk strømning gjennom oppsettet. Det er usikkert hvor mye disse strømningsfenomenene påvirker avgassingsprosessen ved ulike volumstrømmer. Usikkerhet om forsøk med forskjellig volumstrømmer kan sammenlignes kan elimineres ved å teste avgassingen i oppsettet for ulike volumstrømmer uten ultralyd og deretter vurdere om en sammenligning kan forsvares.

In Norway, more than 10 hydropower plants are known to have caused biologically relevant levels of total dissolved gas supersaturation in rivers downstream power plants. This phenomenon is causing gas bubble disease in fish and has large impacts on the biodiversity in the affected water systems. One suggested solution to this problem is employing power ultrasound (20 kHz - 1 MHz) for degassing the supersaturated water prior to releasing it into the lower reservoir.

The degassing effect from ultrasound is dependent on ultrasonic frequency, acoustic amplitude and residence time. Preliminary experiments, carried out at the NTNU Hydrogen Energy and Sonochemistry Laboratory, exploring the behaviour of the degassing process at different ultrasonic frequencies and amplitudes conclude that frequencies of 24 kHz were most effective and the degassing effect increased with increasing acoustic amplitude. Hence, this thesis aims to broaden the understanding of ultrasonic degassing by constructing a test rig for degassing supersaturated, flowing water by employing ultrasound. The test rig is built in the Waterpower Laboratory at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU).

The design of the test rig is based on the design of a Francis turbine draft tube to maximize similarity with the final application in a prototype solution. The suggested test rig design is evaluated by performing a CFD-analysis of the flow field in the test rig, and is followed by a discussion of the strengths and weaknesses of the final design configuration.

It is concluded that the suggested setup is fit for conducting well defined experiments on degassing flowing, supersaturated water. The flow pattern through the setup is as expected in the design procedure, but some challenges are detected. Two sharp expansions and an asymmetric inlet section are resulting in an uncertainty of whether experiments with different flow rates are comparable. This uncertainty is eliminated by testing the degassing effect of the setup without ultrasound applied in the system, and evaluate whether different flow rates induce different degassing.